Het beheersen van de interacties op het grensvlak van een magnetische/topologische isolator-heterostructuur is een uitstekende uitdaging met implicaties voor fundamentele wetenschap en technologie. Een onderzoek onder leiding van de ICN2 Atomic Manipulation and Spectroscopy Group en de Physics and Engineering of Nanodevices Group, in samenwerking met de Supramoleculaire Nanochemie en Materialen Groep, de CFM-San Sebastián, ETH Zürich, ISM-Triëst en ALBA Synchrotron, heeft aangetoond dat liganden van metaal-organische moleculen kunnen worden gebruikt om de eigenschappen van deze grensvlakken aan te passen. De resultaten worden gepresenteerd in ACS Nano .

Een topologische isolator (TI) is een materiaal dat zich binnenin als een isolator gedraagt, maar waarvan het oppervlak exotische geleidende toestanden bevat, daardoor kunnen elektronen alleen in het oppervlak van het materiaal bewegen. De meest bijzondere eigenschap van deze oppervlakte-elektronen is dat hun spin vastzit aan de bewegingsrichting, zodat het kan worden gemanipuleerd door elektrische stromen.

Interfacing van TI's met een magnetisch materiaal kan aanleiding geven tot verschijnselen zoals de door stroom geïnduceerde interconversie van spin naar lading en het ontstaan ​​van dissipatieloze spinstromen, die kunnen worden gebruikt in nieuwe spintronische apparaten, metrologie of in op elektronenspin gebaseerde kwantuminformatietoepassingen. Echter, deze vereniging van TI en magnetisch materiaal tot een zogenaamde heterostructuur is een complex proces dat vaak de beheersing van de eerder beschreven speciale verschijnselen verhindert. Vooral, wanneer de TI rechtstreeks is gekoppeld aan metalen ferromagneten, de sterke interactie tussen de twee materialen leidt tot ongewenste effecten zoals het verlies van magnetische eigenschappen of de onderdrukking van de topologische oppervlaktetoestanden.

Daarentegen, metaal-organische moleculen, organische moleculen die een (magnetisch) metaalion bevatten, zijn overwogen als kandidaten om magnetische/TI-heterostructuren te ontwikkelen waarin grensvlakinteracties worden aangepast door het organische ligand. Dit is precies wat onderzoekers van het ICN2 in samenwerking met CFM-San Sebastián, ETH Zürich, ISM-Triëst en ALBA Synchrotron, hebben aangetoond. Gepubliceerd in ACS Nano , dit onderzoek is geleid door ICREA Prof. Aitor Mugarza, Leider van de Atomic Manipulation and Spectrocopy Group en ICREA Prof. Sergio O. Valenzuela, Leider van de Physics and Engineering of Nanodevices Group. Ze hebben de medewerking gehad van ICREA Prof. Daniel Maspoch, Leider van de Supramoleculaire Nanochemie en Materialen Groep, die het metaal-organische molecuul heeft gesynthetiseerd. De eerste auteur van het werk is voormalig ICN2's Ph.D. leerling Marc G. Cuxart.

In dit werk, de onderzoekers hebben voor het eerst aangetoond dat het mogelijk is om de interfaciale interactie af te stemmen zonder de moleculaire spin en de topologische oppervlaktetoestand van de TI te doven door geschikte organische liganden te kiezen. Vooral, ze ontdekten dat CoTBrPP- en CoPc-monolagen (metaal-organische moleculen) geadsorbeerd op Bi2Te3 (topologische isolator) robuuste interfaces vormen waar elektronische interacties kunnen worden afgestemd zonder de intrinsieke eigenschappen van elk bestanddeel sterk te verstoren. Hun conclusies worden ondersteund door structurele, elektronische en magnetische informatie afgeleid van een combinatie van gespecialiseerde technieken (STM, ARPES, XMCD en DFT).